使用线程以定时间隔调用函数

我正在为一个非常简单的机器人构建一个模拟器来测试学生代码。我需要以固定的时间间隔在单独的线程上运行两个功能（更新机器人传感器和机器人位置）。我目前的实现是处理器效率很低的，因为它有一个线程专门用于简单地递增数字来跟踪代码中的位置。我最近的理论是，我可以使用睡眠来给出传感器更新值和机器人位置之间的时间延迟。我的第一个问题是：这有效吗？第二：有没有什么方法可以做一件简单的事情，但测量时钟周期而不是秒？

通过等待类似互斥对象来使线程进入睡眠状态通常是有效的。一种常见的模式是等待一个有超时的互斥对象。当达到超时时，时间间隔就到了。当互斥对象被关联时，它是线程终止的信号。

伪码：

void threadMethod() {
  for(;;) {
    bool signalled = this->mutex.wait(1000);
    if(signalled) {
      break; // Signalled, owners wants us to terminate
    }
    // Timeout, meaning our wait time is up
    doPeriodicAction();
  }
}
void start() {
  this->mutex.enter();
  this->thread.start(threadMethod);
}
void stop() {
  this->mutex.leave();
  this->thread.join();
}

在Windows系统上，超时通常以毫秒为单位，精确到大约16毫秒以内（timeBeginPeriod()可能能够改进这一点）。我不知道CPU周期触发的同步原语。有一种称为"关键部分"的轻量级互斥，在委派给操作系统线程调度程序之前，它会使CPU旋转几千个周期。在这段时间内，它们是相当准确的。

在Linux系统上，精度可能会更高一点（高频定时器或无提示内核），除了互斥之外，还有类似于Windows关键部分的"futexes"（快速互斥）。

我不确定我是否掌握了你想要实现的目标，但如果你想测试学生代码，你可能想使用虚拟时钟并自己控制时间的流逝。例如，通过调用学生必须提供的processInputs()和decideMovements()方法。每次通话后，会有一个时隙。

此C++11代码使用std::chrono::high_resolution_clock来测量亚秒计时，使用std::thread来运行三个线程。std::this_thread::sleep_for()功能用于睡眠指定的时间。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <chrono>
void seconds()
{
    using namespace std::chrono;
    high_resolution_clock::time_point t1, t2; 
    for (unsigned i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << i << "n";
        t1 = high_resolution_clock::now();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); 
        t2 = high_resolution_clock::now();
        duration<double> elapsed = duration_cast<duration<double> >(t2-t1);
        std::cout << "t( " << elapsed.count() << " seconds )n";
    }
}
int main()
{
    std::vector<std::thread> t;
    t.push_back(std::thread{[](){ 
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); 
        std::cout << "awoke after 3n"; }});
    t.push_back(std::thread{[](){ 
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(7)); 
        std::cout << "awoke after 7n"; }});
    t.push_back(std::thread{seconds});
    for (auto &thr : t)
        thr.join();
}

很难知道这是否符合你的需求，因为这个问题缺少很多细节。在Linux下，使用进行编译

g++ -Wall -Wextra -pedantic -std=c++11 timers.cpp -o timers -lpthread

我机器上的输出：

0
    ( 1.00014 seconds)
1
    ( 1.00014 seconds)
2
awoke after 3
    ( 1.00009 seconds)
3
    ( 1.00015 seconds)
4
    ( 1.00011 seconds)
5
    ( 1.00013 seconds)
6
awoke after 7
    ( 1.0001 seconds)
7
    ( 1.00015 seconds)
8
    ( 1.00014 seconds)
9
    ( 1.00013 seconds)

其他可能感兴趣的C++11标准特性包括timed_mutex和promise/future。

是的，你的理论是正确的。您可以使用sleep在线程执行函数之间设置一些延迟。效率取决于您可以选择多宽的延迟来获得所需的结果您必须解释实现的细节。例如，我们不知道两个线程是否相互依赖（在这种情况下，你必须注意同步，这会破坏一些周期）。

这里有一种方法。我使用C++11、线程、原子和高精度时钟。调度程序将回调一个花费dt秒的函数，dt秒是自上次调用以来经过的时间。如果回调函数返回false，则可以通过调用的stop（）方法来停止循环。

调度程序代码

#include <thread>
#include <chrono>
#include <functional>
#include <atomic>
#include <system_error>
class ScheduledExecutor {
public:
    ScheduledExecutor()
    {}
    ScheduledExecutor(const std::function<bool(double)>& callback, double period)
    {
        initialize(callback, period);
    }
    void initialize(const std::function<bool(double)>& callback, double period)
    {
        callback_ = callback;
        period_ = period;
        keep_running_ = false;
    }
    void start()
    {
        keep_running_ = true;
        sleep_time_sum_ = 0;
        period_count_ = 0;
        th_ = std::thread(&ScheduledExecutor::executorLoop, this);
    }
    void stop()
    {
        keep_running_ = false;
        try {
            th_.join();
        }
        catch(const std::system_error& /* e */)
        { }
    }
    double getSleepTimeAvg()
    {
        //TODO: make this function thread safe by using atomic types
        //right now this is not implemented for performance and that
        //return of this function is purely informational/debugging purposes
        return sleep_time_sum_ / period_count_;
    }
    unsigned long getPeriodCount()
    {
        return period_count_;
    }
private:
    typedef std::chrono::high_resolution_clock clock;
    template <typename T>
    using duration = std::chrono::duration<T>;
    void executorLoop()
    {
        clock::time_point call_end = clock::now();
        while (keep_running_) {
            clock::time_point call_start = clock::now();
            duration<double> since_last_call = call_start - call_end;
            if (period_count_ > 0 && !callback_(since_last_call.count()))
                break;
            call_end = clock::now();
            duration<double> call_duration = call_end - call_start;
            double sleep_for = period_ - call_duration.count();
            sleep_time_sum_ += sleep_for;
            ++period_count_;
            if (sleep_for > MinSleepTime)
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::duration<double>(sleep_for));
        }
    }
private:
    double period_;
    std::thread th_;
    std::function<bool(double)> callback_;
    std::atomic_bool keep_running_;
    static constexpr double MinSleepTime = 1E-9;
    double sleep_time_sum_;
    unsigned long period_count_;
};

示例用法

bool worldUpdator(World& w, double dt)
{
    w.update(dt);
    return true;
}
void main() {
    //create world for your simulator
    World w(...);
    //start scheduler loop for every 2ms calls
    ScheduledExecutor exec;
    exec.initialize(
        std::bind(worldUpdator, std::ref(w), std::placeholders::_1), 
            2E-3);
    exec.start();
    //main thread just checks on the results every now and then
    while (true) {
        if (exec.getPeriodCount() % 10000 == 0) {
            std::cout << exec.getSleepTimeAvg() << std::endl;
        }
    }
}

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